蘇州大學張偉教授團隊《Adv. Sci.》: 通過溶劑產生的自由基差異揭示超分子組裝體的路徑復雜度和螺旋反轉現象
路徑復雜現象作為超分子組裝體最重要的特性之一，近年來備受關注，這種超分子作用下特有的性質常用于調控不同類型組裝體的生成。其中，具有超分子手性的組裝體在不同路徑中的組裝過程和手性表達更為復雜。雖然超分子的活性聚合已經通過路徑復雜現象在一些手性超分子單體中得到了設計和實現，但其路徑復雜度和手性之間的機理尚未得到完全解釋，因此限制了超分子組裝體或聚合物在特定場景下的應用發展。
近年，蘇州大學的張偉教授團隊在聚合物體系中超分子手性的構建領域取得了諸多進展。（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 16474; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13218; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202315686; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314848; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312259; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24430; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 18566; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9669; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15129; Sci. China Chem. 2023, 66, 1169; Sci. China Chem. 2021, 64, 2105; Chem. Sci. 2023, 14, 5116; Chem. Sci. 2023, 14, 1673; Chem. Sci. 2022, 13, 13623; Macromolecules 2022, 55, 8556; ACS Macro Lett. 2021, 10, 690; Small 2021, 2103177; Aggregate 2023, e351; Aggregate 2022, e262.）。在研究聚合物中超分子手性的同時，張教授團隊還將目光放在了經典超分子單體的手性聚合上，進一步探索超分子手性在溶液體系下的豐富變化以及在不同層次中的聯系和表達。他們根據已有的文獻設計并合成了一種手性的三芳胺三酰胺（TATA）C3對稱小分子單體，研究其在共溶劑體系中的組裝過程和手性表達。張教授團隊發現，這種手性單體在不同的雙溶劑環境中會經歷不同的組裝過程得到完全相反的手性信號。在1, 2-二氯乙烷（DCE）和甲基環己烷（MCH）的溶液中，得到了具有M螺旋排列的薄納米帶組裝體；而在DCE和己烷（HE）中，生成了具有P螺旋排列的納米纖維組裝體。這兩種組裝體具有截然相反的超分子手性結構，呈現出螺旋反轉和路徑復雜的現象。通過進一步的探究，他們發現溶劑對這兩條路徑的影響是通過自由基的作用進行的，并最終導致組裝體的螺旋反轉，產生相反的手性信號。
圖1. (a) C3單體1R和1S的結構式。(b)路徑復雜和螺旋反轉現象的示意圖。 (c)三苯胺中心結構產生手性的示意圖。
作者在合成并確認單體1S后，首先研究了其在單一溶劑中的組裝效果，發現沒有組裝體產生，因此更換雙溶劑體系進行試驗，最終在DCE/MCH和DCE/HE中發現了組裝體的生成。紫外光譜（UV）表明其均有組裝體生成，測試圓二色光譜（CD）發現兩種組裝體有著完全正負對稱的信號，說明內部的手性排列是完全相反的。
圖2. (a) 單體1S在不同溶劑中組裝體的CD和 (b) UV譜圖。(c) 1S在DCE/MCH中的時間相關CD和 (d) UV譜圖。(e) 1S在DCE/HE中的時間相關CD和 (f) UV譜圖。
接著通過透射電子顯微鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）表征發現，兩種組裝體的形貌有所不同，在DCE/MCH中是很薄的納米帶組裝體，而在DCE/HE中是扭轉的細納米纖維，說明在不同的溶劑中，單體經歷了完全不同的組裝過程，于是接下來，他們著重開始探究其中的機理。首先通過加熱升溫得到的組裝體解聚曲線，將其與超分子聚合的數學模型進行擬合，得到了不同的擬合結果。在DCE/MCH中，單體是以協同-增長的機理進行聚合的，有著明顯的臨界溫度，而在DCE/HE中，單體以等鍵機理進行聚合，沒有明顯的臨界溫度。
圖3. (a) 1S在DCE/MCH中的組裝體升溫解聚過程以及擬合曲線。(b) 1S在DCE/HE中的組裝體升溫解聚過程以及擬合曲線。(c, e, g) 1S在DCE/MCH中的組裝體的形貌和組裝過程。(d, f, h) 1S在DCE/HE中的組裝體的形貌和組裝過程。
接著通過在單一溶劑中的核磁共振氫譜測試（1H NMR）可以發現1S單體主要通過氫鍵進行堆積組裝，這在紅外光譜（IR）中也得到了證明，酰胺之間的氫鍵作用是連接單體的主要超分子作用力，除此以外，他們發現在紅外譜圖中單體的自由基峰在不同溶劑中有著些許差異，說明自由基可能在這兩個路徑中有著關鍵作用。通過計算模擬和結構優化得出的P和M螺旋三聚體結構也驗證了氫鍵的存在。
圖4. (a) 1S在氘代氯仿中不同濃度下的1H NMR譜圖。(b) 1S在不同溶劑中的組裝體IR譜圖。(c, d) 計算模擬得到的P螺旋1S三聚體結構示意圖。(e, f) 計算模擬得到的M螺旋1S三聚體結構示意圖。
接下來，他們對自由基在路徑中的影響進行了詳細的探索。通過長波長處的CD和UV測試可以發現，自由基在DCE/HE的組裝體中出現并產生了手性信號，而在DCE/MCH中沒有觀測到對應的信號，說明自由基可能是產生兩種路徑的根本原因。而且電子順磁共振譜圖（EPR）顯示DCE/HE中有自由基峰，而DCE/MCH中沒有，更加直接地證明了自由基在兩種溶劑中的差異化存在。
圖5. (a) 1S在不同溶劑中組裝體的長波長CD和 (b) UV譜圖。(c) 1S在DCE/HE中的組裝體的時間相關長波長CD和 (d) UV譜圖。(e) 1S在不同溶劑中組裝體的EPR譜圖。(f) 1S在不同溶劑中組裝體的CPL譜圖。
由此結合對照試驗分析，作者提出了基于自由基的路徑復雜的機理解釋。1S單體在DCE中可以通過自然光照生成自由基態單體，并與中性單體結合成混價化合物而穩定存在，加入MCH后，由于大量MCH的三級碳對自由基的中和，使得自由基變為中性態單體，進而通過成核-增長過程形成組裝體；當加入HE后，因為HE沒有三級碳對自由基進行中和，因此單體直接以混價化合物為核進行組裝生長，即以等鍵機理形成組裝體。進一步分析，在DCE/MCH中由于單體均為中性態，其中心結構C-N鍵角偏小，而在DCE/HE中自由基單體的中心C-N鍵角偏大，對應了結構優化后的模型中M結構鍵角比P結構鍵角略小，因此作者認為該單體在不同溶劑中，是溶劑產生的自由基的差異導致了兩種不同的路徑生成，并通過不同的組裝過程最終得到了螺旋相反的組裝體結構，產生相反的手性信號。
圖6. 不同溶劑中組裝體路徑復雜現象機理示意圖。
該工作首次從自由基的角度解釋了超分子組裝過程中的路徑復雜和螺旋反轉現象，在雙溶劑體系中對基于三芳胺的超分子組裝路徑進行了詳細的探究，為理解和預測三芳胺衍生物超分子組裝的路徑復雜度提供一種新的方法和角度，使超分子組裝路徑的精確控制成為可能，并為手性功能材料的設計和調控開辟新的道路。
以上工作受到了國家自然科學基金（92056111, 21971180和22301206）的經費支持。相關成果以“Revealing Pathway Complexity and Helical Inversion in Supramolecular Assemblies through Solvent-induced Radical Disparities”為題發表于《Advanced Science》上。文章的第一作者是蘇州大學在讀博士生馬浩天，通訊作者為蘇州大學/安徽工程大學張偉教授和博士后張弓。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202308371
DOI: 10.1002/advs.202308371
